CN101886849B - 太阳热集热体以及太阳光热发电模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳热集热体和太阳光热发电模块。太阳热集热体能够防止太阳热集热构造中红外线吸收率低、高温大气环境下侵蚀、装置寿命低、温度落差大的循环环境下的界面的热应力所致的层间剥离，把被照射吸收的红外线波长区域高效地供应到热电发电元件。太阳热集热体形成由高热传导率的金属材料母材(13)、在该母材表面由红外线波长区域的吸收率高的非氧化物陶瓷形成的红外线吸收膜层(14)，在它们之间形成改变了作为母材的金属材料和红外线吸收膜形成材料的混合比率的梯度层(15)，在上述太阳热集热体的太阳热照射面上设置深度达到该集热体的中心部附近的空洞(16)。
Description
技术领域
本发明涉及吸收太阳光中的红外线波长区域的光并将其作为热能进行集热，并将热能供应到以热能为热源的热电发电系统的太阳光热复合发电系统中的太阳热集热体以及利用了该太阳热集热体的太阳光热发电模块集热体构造。
背景技术
以往作为将太阳光能高效率地转换为电能的装置，人们提出了太阳光热复合发电系统(参照专利文献1、2)，它拥有将太阳光能转换为电能的太阳电池和热电发电元件，利用红外线选择透射膜(波长选择反射透射膜)将太阳光分离为红外线和可视光线，使可视光线照射到太阳电池以转换为电能，红外线照射到热电发电元件以转换为电能。在这种太阳光热复合发电系统中，将太阳热作为热源的热电发电系统需要使用太阳热集热体，上述太阳热集热体高效率地吸收利用太阳光聚光分离系统聚光并分离的红外线波长区域的光，并以热能形式高效率地供应到热电发电元件。另外，太阳热集热体暴露在600℃或者600℃以上的高温大气环境下或者真空环境下，或者从常温到1000℃的温度落差大的循环环境下。
作为以往的太阳热的集热体，人们已知有高热传导率且均质的金属材料(例如金、银、铜、铝等)、红外线的吸收率高的均质材料(例如石墨等)或者在高热传导率的均质材料的表面生成了石墨层的集热体。但是，高热传导率金属材料的集热体虽能够把热能高效率地传导至热电发电元件，但是存在红外线吸收率低的问题。一般的高热传导率金属材料的红外线吸收率为百分之几～几十。另外，石墨的集热体虽然其红外线吸收率高，但是在高温大气环境下由于碳元素和氧元素反应而发生侵蚀，存在装置寿命短的问题。并且，因为热传导率比较抵，所以在热能向热电发电元件供应方面存在问题。另外，在高热传导率金属材料上生成了石墨层的集热体，虽然能够利用石墨层吸收红外线，并利用高热传导率材料把热能高效地供应到热电发电元件，但是在高温大气环境下石墨层的侵蚀成为问题。并且，在将太阳热作为热源的热电发电系统中，太阳热集热体由于暴露在温度落差大的循环环境下，因此在金属材料和石墨层的界面发生热应力，存在石墨层剥离的问题。另外，以往的太阳热集热体的照射太阳热(红外线波长区域)的面为平面。因此，存在被照射、吸收的太阳热无法高效率地供应到热电发电元件的问题。
专利文献1：日本特开平10-110670号公报
专利文献2：日本特开平11-31835号公报
在太阳光热复合发电系统中，太阳热集热体需要高效率地吸收红外线波长区域的光，并以热能形式高效率地供应到热电发电元件。另外，太阳热集热体由于暴露在1000℃的高温大气环境下和从室温到1000℃的温度落差大的循环环境下，因此存在氧化、侵蚀、涂层剥离的问题。
发明内容
于是，本发明所要解决的问题是：(1)解决高热传导率金属材料的太阳热集热体存在的红外线吸收率低的问题；(2)解决石墨集热体、石墨涂层高热传导率金属材料的集热体存在的在高温大气环境下的侵蚀、装置寿命低的问题；(3)解决石墨涂层高热传导率金属材料的集热体存在的在温度落差大的循环环境下的金属材料和石墨层的界面的热应力所致的石墨层剥离的问题；(4)能够把被照射、吸收的太阳热(红外线波长区域)高效率地供应到热电发电元件。
解决上述问题的技术方案1涉及的本发明的太阳光热发电系统中的太阳热集热体的特征在于，包括：母材，其由高热传导率的金属材料形成；红外线吸收膜层，其在该母材表面上由红外线波长区域的吸收率高的非氧化物陶瓷形成。
技术方案2的发明的特征在于，在技术方案1记载的太阳热集热体中，在上述母材和红外线吸收膜层之间连续或阶段性地形成梯度层，上述梯度层是改变了作为母材的金属材料和红外线吸收膜形成材料的混合比率的层。
技术方案3的发明的特征在于，在技术方案1或2记载的太阳热集热体中，由上述高热传导率的金属材料形成的母材，由从铜、银、镍、铝中选择的单体或者合金形成。
技术方案4的发明的特征在于，在技术方案1～3中任意一项所述的太阳热集热体中，形成上述红外线吸收膜层的非氧化物陶瓷材料是从二硼化钛、碳化钛、氮化钛、碳化锆中选择的单体或者复合的非氧化物陶瓷。
技术方案5的发明的特征在于，在技术方案1～3中任意一项所述的太阳热集热体中，形成上述红外线吸收膜层的非氧化物陶瓷材料是在高温大气环境下氧化开始温度高的非氧化物陶瓷材料。
技术方案6的发明的特征在于，在技术方案1～5中任意一项所述的太阳热集热体中，在上述太阳热集热体的太阳热照射面上设置深度达到该太阳热集热体的中心部附近的空洞。
另外，技术方案7的发明的特征在于，在技术方案6所述的太阳热集热体中，上述太阳热集热体两端面呈平坦的柱状，并在外周面上形成一个或多个上述空洞。柱形能够采用四棱柱形、其他的多棱柱形、圆柱形、椭圆柱形等适当形状。
解决上述问题的技术方案8记载的本发明的太阳光热发电模块，在技术方案1至7中任意一项所述的太阳热集热体的两端面上，按热电发电元件的高温端与上述的太阳热集热体的两端面接触的方式配置该热电发电元件，并在该热电发电元件的低温端配置冷却块。
根据技术方案1的发明，通过由高热传导率的金属材料形成的母材和红外线波长区域的吸收率高的非氧化物陶瓷材料的组合，从而高效率地吸收被照射的太阳热，并且能够把被照射、吸收的太阳热(红外线波长区域)高效率地供应到热电发电元件，还能够抑制红外线吸收膜在高温大气环境下的氧化、侵蚀、装置寿命低，从而能够解决上述(1)、(2)和(4)记载的所要解决的问题。通过使用红外线波长区域的吸收率高的非氧化物陶瓷材料，从而能够大幅改善以往的太阳热集热体存在的使用高热传导率的金属材料所致的红外线吸收率低的问题。另外，关于高温大气环境下的氧化、侵蚀、装置寿命低，虽因使用的非氧化物陶瓷材料的不同而不同，但与如石墨这样的氧化开始温度低的材料相比能够大幅改善。
根据技术方案2的发明，由于在金属材料母材和非氧化物陶瓷层之间设置用于缓和热应力的梯度层，因此能够防止由温度落差大的循环环境下的热应力所致的红外线吸收膜的剥离，与在金属材料上形成了石墨膜的太阳热集热体相比，能够大幅改善太阳热集热体的装置寿命。因而，能够解决上述(3)记载的所要解决的问题。
根据技术方案3的发明，作为母材采用了从铜、银、镍、铝中选择的单体或者合金，因此能够使母材的热传导率更高，把被照射的热能更有效地供应到热电发电元件。
技术方案4的发明所采用的非氧化物陶瓷材料具有：红外线吸收率高达90％以上且氧化开始温度高达500℃以上，而且热传导率高的特征。因而，根据技术方案4的发明，能够大幅改善以往的太阳热集热体存在的使用高热传导率的金属材料所致的红外线吸收率低的问题。
根据技术方案5的发明，通过采用这些材料，从而能够有效地抑制红外线吸收膜层在高温大气环境下的氧化、侵蚀、装置寿命低。
根据技术方案6的发明，通过在太阳热集热体的太阳热照射面上设置深度到达太阳热集热体的中心部附近的空洞，从而能够把太阳热(红外线波长区域)照射到集热体内部，能够把热能高效地供应到热电发电元件。
根据技术方案7的发明，通过把太阳热集热体形成为两端面平坦的柱状，从而能够在平坦的两面配置热电发电元件，能够从多方向向其侧面照射太阳热，紧凑且能够把太阳热更高效地供应到热电发电元件。
根据技术方案8的发明，能够得到即使在高温环境下、宇宙真空环境下、温度落差大的循环环境下也具有耐久性，并且能够有效地发电，而且非常小型且能够获得高发电量的太阳光热发电模块。
附图说明
图1是表示利用了本发明实施方式涉及的太阳热集热体的太阳光热复合发电系统的动作原理的图。
图2是表示利用了本发明实施方式的太阳热集热体的热电发电模块的剖面构造的图。
图3(a)是本发明实施方式涉及的太阳热集热体的俯视剖视图，(b)是其A-A剖面图。
附图符号说明：
1太阳光；2菲涅耳透镜；3反射镜；4波长选择滤光器；5太阳电池发电部；6可视光线区域的太阳光；7热电发电模块；8红外线区域的太阳光；9太阳热集热体；10热电发电元件；11冷却块；12隔热件；13金属材料母材；14红外线吸收膜；15梯度层；16空洞
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。
首先，通过图1说明本发明实施方式的太阳热集热体的太阳光热复合发电系统的概况。如图1所示，本实施方式的太阳光热复合发电系统的构造包括：菲涅耳透镜2；把利用该菲涅耳透镜2聚光的太阳光线向波长选择滤光器4反射的反射镜3；把被该反射镜3反射的太阳光线分离为可视光线和红外线并将可视光线反射而将红外线透射的波长选择滤光器4；在被该波长选择滤光器4分离并反射的可视光线的照射位置配置的太阳电池发电部5；以及由同样配置在红外线照射位置的太阳热集热体9、配置成高温侧与该太阳热集热体接触的热电发电元件10以及在该热电发电元件的低温端配置的冷却块11形成的热电发电模块7。
本实施方式的太阳光热复合发电系统构成为菲涅耳透镜2跟踪太阳，并利用菲涅耳透镜2、反射镜3把太阳光1聚光并集热，利用分离为可视光线区域和红外线区域的波长选择滤光器4进行分离。另外，本实施方式的构造是在太阳电池发电部5中使用可视光线区域的太阳光6发电，在热电发电模块7中使用红外线区域的太阳光8发电。由此利用一般的太阳光系统中无法使用的红外线，从而使太阳能利用效率得以大幅提高，能够获得比以往更多的发电量。
图2、图3中表示使用本发明的太阳热集热体9的热电发电模块7的细节图。热电发电模块7的构造包括：把红外线区域的太阳光8集热并对热电发电元件10的高温侧进行加热的太阳热集热体9、热电发电元件10、冷却热电发电元件的低温侧的冷却块11、以及降低太阳热集热体9的热损失的隔热件12。另外，如下述图3所示那样，在本实施方式中，太阳热集热体9被形成为四棱柱形，在其两端面(上下端面)上分别配置热电发电元件，从太阳热集热体的周壁的四方照射被波长选择滤光器4分离的红外线。由此紧凑地构成热电发电模块7并能够获得高发电量。
优选本发明的太阳光热复合发电系统通过构成为上述实施方式那样，从而通过太阳热集热体9高效率地吸收被波长选择滤光器4分离的红外线区域的太阳光8，通过把其高效率地供应到热电发电元件10，从而能够有效地加热高温部，并且紧凑地形成系统整体且能够获得高发电量，但是本发明不限于上述实施方式。
其次，参照附图更详细地说明本发明的太阳热集热体的构造。图3(a)和图3(b)是表示本发明的太阳热集热体9的构造图，图3(a)是俯视图，图3(b)是其中央的A-A剖面图。太阳热集热体9的构造包括：高热传导率的金属材料母材13、红外线吸收膜14、金属材料母材和红外线吸收膜材料的混合比率不同的梯度层15、用于把聚光并照射的太阳热(红外线波长区域)高效地传导至热电发电元件的空洞16。在本实施方式中，太阳热集热体9如图所示上下两端面被形成为四棱柱，在其四周壁的各自中心部把截面圆形的空洞16形成为大致伸到中心部附近的深度。空洞的大小形成为下述大小，即透射过波长选择滤光器的红外线聚光不碰到该圆形的空洞的周壁面，而伸到空洞的最深部即太阳热集热体9的中心附近的大小。
太阳热集热体9的上述金属材料母材13优选比铁热传导率高的金属材料，一般更优选使用从金、银、铜、镍、铝中选择的单体或者合金等高热传导率的金属材料，但是优选基于热电发电元件的使用温度区域使集热体的热传导率、比热最佳化。另外，作为形成红外线吸收膜层14的非氧化物陶瓷材料，其优选从红外线波长区域的吸收率高的二硼化钛(TiB2)、碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)、碳化锆(ZrC)的非氧化物陶瓷材料中选择的单体或者复合的非氧化物陶瓷。这些非氧化物陶瓷材料具有：红外线吸收率高达90％以上且氧化开始温度高达500℃以上，而且热传导率高的特征。
优选梯度层15由母材侧表面为母材成分而红外线吸收膜侧表面由形成红外线吸收膜的非氧化物陶瓷成分形成的，两者的成分比例在层的厚度方向相互混合并以逐渐减少的方式连续变化的梯度材料构成。但是，也可层叠按照成分比例阶段性地变化的方式改变两者的成分比例的多个层而形成梯度层。在这种情况下，梯度层15的层数受到金属材料母材和红外线吸收膜材料的热膨胀率差的影响，因此优选根据材料的种类对层数进行最优化。
在上述实施方式中，把太阳热集热体形成为四棱柱，并从其周壁四面照射红外线，但是不一定非照射四面也可以仅照射一面，没有特别限定柱或者圆柱等的形态。
产业上的可利用性
本发明的太阳热集热体构造能用于利用了太阳光热的产业、家庭用太阳光热复合发电系统。另外，也能用于以太阳热能为能源的热电子发电系统、燃气轮机发电系统。
Claims (7)
1.一种太阳热集热体，是太阳光热发电系统中的太阳热集热体，其特征在于，所述太阳热集热体包括：
母材，其由高热传导率的金属材料形成；
红外线吸收膜层，其在该母材表面由红外线波长区域的吸收率高的非氧化物陶瓷形成，
在所述太阳热集热体的太阳热照射面上设置深度达到该太阳热集热体的中心部附近的空洞。
2.根据权利要求1所述的太阳热集热体，其中，
在所述母材和红外线吸收膜层之间形成梯度层，所述梯度层由母材侧表面为母材成分而红外线吸收膜侧表面由形成红外线吸收膜层的非氧化物陶瓷成分形成的、母材成分和非氧化物陶瓷成分的成分比例在层的厚度方向相互混合并以逐渐减少的方式连续变化的梯度材料构成。
3.根据权利要求1所述的太阳热集热体，其中，
在所述母材和红外线吸收膜层之间形成梯度层，所述梯度层是将按照成分比例阶段性地变化的方式改变母材成分和非氧化物陶瓷成分的成分比例的多个层进行层叠而形成。
4.根据权利要求1、2或3所述的太阳热集热体，其中，
由所述高热传导率的金属材料形成的母材，由从铜、银、镍、铝中选择的单体或者合金形成。
5.根据权利要求1、2或3所述的太阳热集热体，其中，
形成所述红外线吸收膜层的非氧化物陶瓷材料是从二硼化钛、碳化钛、氮化钛、碳化锆中选择的单体或者复合的非氧化物陶瓷。
6.根据权利要求5所述的太阳热集热体，其中，
所述太阳热集热体两端面呈平坦的柱状，并在外周面上形成一个或多个所述空洞。
7.一种太阳光热发电模块，其特征在于，
在权利要求1至6中任意一项所述的太阳热集热体的两端面上，按热电发电元件的高温端与所述的太阳热集热体的两端面接触的方式配置该热电发电元件，并在该热电发电元件的低温端配置冷却块。
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